СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР С РАЗНЫМИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ Российский патент 1998 года по МПК H01L39/24 

Изобретение относится к сверхпроводниковой технике. Может быть использовано при получении многослойных структур типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (SIS), сверхпроводник-нормальный проводник-сверхпроводник (SNS), сверхпроводник-изолятор-нормальный проводник-изолятор-сверхпроводник (SINS) и так далее, а также при изготовлении сверхпроводниковых устройств микроэлектроники: трансформаторов магнитного потока, джозефсоновских контактов, приемников ИК-излучения и т.п.

Известны способы [1] изготовления многослойных структур типа SIS путем распыления мишеней с различными электрофизическими свойствами, например, в качестве диэлектрического слоя наносят титанат стронция (SiTiO₃), а в качестве сверхпроводящего слоя - YBa₂Cu₃O_7-x. Этим способом удается получить эпитаксиальные пленки, достаточно совершенные по структуре и с хорошими диэлектрическими свойствами.

Однако процесс смены распыляемых мишеней сопряжен с дополнительными технологическими сложностями. К существенным недостаткам этого способа следует отнести также невозможность напыления промежуточных пленок с нормальной или полупроводниковой проводимостью.

Известны способы создания многослойной структуры [2], в которой слой высокотемпературного сверхпроводника одного класса находится между каждыми двумя двойными слоями оксида меди. У другой структуры слой ВТСП другого класса находится между каждыми двумя простыми уровнями. Параметры этих промежуточных структур регулируют путем контролируемой подачи или отвода кислорода.

Однако данный способ имеет ряд недостатков. Отсутствует возможность получения диэлектрического слоя и, таким образом, изготовление трансформаторов потока магнитного поля остается весьма проблематичным. Имеются трудности контроля и измерения переходного слоя между двумя структурами, а также сложности учета влияния изменения параметров плазменного факела при варьировании давления кислорода.

Известен также другой способ нанесения многослойных структур [3]. Структура имеет электрически изолированные отдельные слои, выполненные в виде слоистых образований или тонких пленок. Согласно [3], изоляционный диэлектрический слой выполнен из того же материала, что и сверхпроводящие слои, причем пористость поверхности изоляционного слоя составляет 10-90% от плотности сверхпроводящих пленок. Однако создание приборов на основе таких структур весьма проблематично ввиду их микронеоднородности и микропористости. Широко используемая в технологии джозефсоновских контактов фотолитография невозможна из-за дифракции на краях пор.

Наиболее близким к заявленному способу, является способ формирования сверхпроводящих оксидных тонких пленок с несверхпроводящими зонами [4], содержащих по меньшей мере одно несверхпроводящее включение, расположенное в ее приповерхностной области. Данный способ предусматривает формирование на поверхности подложки сверхпроводящей оксидной тонкой пленки и ее термообработку в высоком вакууме, следствием которой является потеря приповерхностным слоем пленки атомов кислорода. В результате в сверхпроводящем оксидном слое образуется несверхпроводящая приповерхностная область переменной толщины, материал которой содержит те же элементы, что и сверхпроводящий слой, но меньшее количество кислорода. Недостатком этого способа является то, что формируют только один сверхпроводящий слой с несверхпроводящим участком, при этом необходимо создание высокого вакуума, а для перевода несверхпроводящей поверхности пленки в сверхпроводящую необходимо последующее нагревание в кислородосодержащей среде, т. е. дополнительные технологические процедуры, связанные с изменением давления кислорода.

Задачей настоящего изобретения является создание простого в технологическом исполнении способа формирования многослойных структур, обеспечивающего создание слоев (пленок) хорошего качества и морфологии с различными свойствами из ряда: сверхпроводник, слой нормальной проводимости, полупроводник, изолятор из одного сверхпроводящего материала, в одном технологическом цикле без изменения установленного перед началом процесса давления в камере.

Технический результат достигается за счет того, что в способе формирования многослойных структур на основе использования одного сверхпроводящего материала для формирования слоев различной проводимости последовательно формируют по меньшей мере два слоя, проявляющих при температуре жидкого азота различные электропроводящие свойства (сверхпроводник, нормальный проводник, полупроводник, изолятор) путем нанесения на подложку материала YBa₂Cu₃O_7-x при установленной для формирования каждого слоя определенной температуре подложки 950-270^oC в атмосфере воздуха или кислорода. Давление перед началом процесса устанавливают 0.05-0.5 торр. При этом слои различной проводимости формируют путем распыления мишени с помощью лазерного импульса длительностью 20-30 нс. причем нанесение слоев с различными электропроводящими свойствами осуществляют в одной камере при неизмененном положении мишени и лазерного луча. Для нанесения сверхпроводящего слоя подложку нагревают до 780-950^oC. Для нанесения слоя нормальной проводимости устанавливают температуре подложки 700-750^oC, полупроводникового слоя - 400-650^oC, изолятора - 270-350^oC. В качестве подложек используют SrTiO₃, LaAlO₃ MgO, ZrO₂. Для понижения температуры подложки используют снижение мощности нагревателя в течение необходимого времени. Таким образом, в процессе проведенных исследований создан способ формирования многослойных структур, в которых формирование слоев с различными электропроводящими свойствами от сверхпроводника до изолятора осуществляется в одном технологическим процессе из одной мишени при неизмененных параметрах напыления и давления, установленных перед началом процесса, только путем регулирования температуры подложки. Экспериментально установлены параметры давления, напыления и температурного режима для последовательного нанесения слоев.

Из приведенных источников известно свойство материала YBa₂Cu₃O_7-x терять атомы кислорода при его нагревании в условиях высокого вакуума и переходить из сверхпроводящего состояния в несверхпроводящее, однако эти слои неустойчивы (меняют физические свойства) при последующем нагревании в атмосфере кислорода. В предлагаемом же способе используется свойство материала YBa₂Cu₃O_7-x связывать различное количество кислорода при разных температурах подложки. Авторами установлены параметры кислородосодержащей среды, температуры, при которой возможно последовательное нанесение слоев различной проводимости в любом порядке и без изменения их свойств при последующем охлаждении или нагревании. При этом для нанесения слоев используется одна мишень и одни параметры импульсного распыления мишени лазерным лучом. В заявляемом способе не требуется дополнительной откачки или накачки воздуха или кислорода в камере, давление устанавливают перед началом процесса и в дальнейшем не изменяют. В результате проведенного поиска не выявлены источники, описывающие аналогичный способ получения многослойных структур в едином технологическом цикле посредством регулирования температуры подложки (напыления).

Предлагаемый способ прост в осуществлении и обеспечивает хорошее качество пленок (слоев) при выбранных диапазоне давления в камере и параметрах лазерного напыления. Способ может быть осуществлен с помощью устройства, включающего в себя лазер ЛТИ-403 со следующими параметрами излучения: длиной волны λ = 1,06 мкм , длительностью импульса τ = 20 - 30 нс , плотностью мощности P - 10⁸ Вт/см² при диаметре пучка - 1 мм, частотой следования импульсов ν = 12 - 14 Гц, вакуумную камеру для напыления, в которой внутри цилиндрической печи, на пути следования лазерного луча, под углом к нему, устанавливается мишень состава YBa₂Cu₃O_7-x на специальном держателе. Подложки крепятся на держателе и устанавливаются внутри печи на некотором расстоянии от мишени. Кроме того, вакуумная камера имеет окна для визуального контроля за экспериментом и кварцевое окно, через которое проходит лазерный луч. Для фокусировки лазерного луча на мишени установка имеет систему кварцевых линз, а также систему вакуумной откачки и регулируемого напуска воздуха или кислорода. Температура контролируется термопарным датчиком.

Параметры внутренних запыленных сверхпроводящих слоев измерялись индуктивным бесконтактным индуктивным методом.

Предложенный способ можно пояснить примером получения многослойной структуры типа SIS.

Пример 1. Мишень состава YBa₂Cu₃O_7-x, приготовленная по обычной керамической технологии устанавливается на держателе. Подложки типа: SrTiO₃, LaAlO₃, MgO, ZrO₂ устанавливаются на держателе в цилиндрической печи. Вакуумная камеры откачивается до давления 0.1 торр, включается печь и подложки нагреваются до Т= 850^oC, далее включается лазер и происходит напыление сверхпроводящей пленки со скоростью ≈ 40 нм/мин. После получения пленки заданной толщины лазер и нагреватель отключают, подложки охлаждают до Т= 300^oC и термостабилизируют. Время охлаждения определяется инерционностью печи (≈ 15 мин). Далее включается лазер и напыляется диэлектрический слой (при Т≈300^oC) со скоростью ≈ 60 нм/мин. Для напыления второго сверхпроводящего слоя температуры доводится до Т=840^oC и термостабилизируется. Затем включают лазер и проводят напыление. По окончании процесса напыления камера отсекается от вакуумного насоса, наполняется воздухом и напыленные образцы извлекаются из камеры после охлаждения печи.

Пример 2. Получение структуры SNPIPNS. Мишень YBa₂Cu₃O_7-x и подложки устанавливаются в камере, в цилиндрической печи, аналогично примеру 1. Воздух из вакуумной камеры откачивается до давления 0.1 торр. Подложки нагревают до Т= 850^oC и напыляют сверхпроводящий слой. Далее нагреватель отключают и подложки охлаждаются. Затем лазер включают при охлаждении подложек до 750^oC для напыления пленки с нормальной проводимостью, при дальнейшем охлаждении подложек до Т=600^oC для напыления пленки с полупроводниковой проводимостью и при охлаждении подложек до 300^oC напыляется диэлектрический слой. Время напыления каждого слоя ≈ 3 мин. Получившиеся пленки имеют толщину порядка 100 нм каждая. Для напыления последующих слоев структуры вновь включают печь и напыление производят при достижении нужной температуры в обратном порядке. Последовательность может быть любой в зависимости от необходимого чередования слоев. Проведенные исследования показали, что качество, морфология получаемых слоев соответствует безкапельному эпитаксиальному росту. Электрофизические параметры верхних пленок измерялись четырехзондовым методом, а сохранение сверхпроводящих свойств промежуточных слоев определялось индуктивным бесконтактным методом.

Литература.

1. Wellstood. Kingston and Clarke. Appl Phys. Lett. 56(23) 4 June 1990 (0003-6951/90/232336-03S02.00 1990 American Institute of Physics. p. 2336-2338. Supercunducting thin-film multiturn wils of YBa₂Cu₃O_7-x.

2. DE, заявка N 4124048, кл. H 01 L 39/24, 39/22, 39/12. Контакт Джозефсона в высокотемпературных сверхпроводниках и способ его создания.

3. DE, патент N 287812, кл. H 01 L 39/24. Сверхпроводящая многослойная структура.

4. ЕП, заявка N 0534811, кл. H 01 L 39/24, 39/22. Способ формирования сверхпроводящих оксидных тонких пленок с несверхпроводящими зонами и сверхпроводящий прибор на его основе.

Использование: сверхпроводниковая техника, при получении многослойных структур типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник, сверхпроводник-нормальный проводник-сверхпроводник, сверхпроводник-изолятор-нормальный проводник-изолятор-сверхпроводник и так далее, а также при изготовлении сверхпроводниковых устройств микроэлектроники: трансформаторов магнитного потока, джозефсоновских контактов, приемников ИК-излучения и т.п. Сущность изобретения: нанесение тонких пленок YBa₂Cu₃O_7-x производится методом лазерной абляции на подложки Sr TiO₃, LaAlO₃, MgO, ZrO₂, последовательно из одной и той же мишени. Процесс напыления происходит в атмосфере воздуха или кислорода при давлении 0,5-0,05 торр и продолжается в течение времени, зависящем от получения необходимой толщины пленки, при скорости напыления примерно 40 нм/мин. Новым в способе является то, что из одной мишени в одном производственном цикле получаем слоистую структуру с разными электропроводящими свойствами, причем для получения сверхпроводящего слоя подложка нагревается до 780-950^oC, для получения тонкой пленки с нормальной проводимостью подложка нагревалась до 700 - 750^oС, для полупроводникового слоя подложку нагревают до 400 - 650^oC и, наконец, диэлектрического слоя 270 - 350^oC. После напыления выключаются лазер и нагреватель, камера напыления отсекается затворами от вакуумного насоса. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ формирования многослойных структур с разными электрофизическими свойствами на основе использования одного сверхпроводящего материала для формирования слоев различной проводимости, отличающийся тем, что последовательно формируют по меньшей мере два слоя, проявляющих при температуре жидкого азота различные электропроводящие свойства из ряда: сверхпроводник, нормальный проводник, полупроводник, изолятор путем нанесения на подложку материала YBa₂CU₃O_7 - x при установленной для формирования указанных слоев температуре подложек, определенной для каждого отдельного слоя, в пределах 950 - 270^oС в атмосфере воздуха или кислорода при давлении 0,05 - 0,5 торф методом лазерной абляции. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают импульсный режим работы лазера с параметрами: длиной волны λ = 1,06 мкм, длительностью импульса τ = 20 - 30 нс, плотностью мощности Р = 10⁸ Вт/см², частотой следования импульсов ν = 12 - 14 Гц.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение слоев с различными электропроводящими свойствами осуществляется в одной камере при неизменном положении мишени и лазерного луча, а также при неизменном давлении, устанавливаемом в камере перед началом напыления пленок (процесса). 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что для нанесения сверхпроводящего слоя YBaCuO подложку нагревают до 780 - 950^oС. 5. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что для нанесения слоя нормальной проводимости устанавливают температуру подложки 700 - 750^oС. 6. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что для нанесения полупроводникового слоя устанавливают температуру подложки 400 - 650^oС. 7. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что для нанесения изоляционного слоя устанавливают температуру подложки 270 - 350^oС.